《计算机系统结构课内实验》实验报告一、实验目的及要求1.加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解；2.了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；3.掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处；4.理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；5.理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；二、实验环境Vmware虚拟机，redhat9.0linux操作系统，SimpleScalar模拟器三、实验内容1.运行SimpleScalar模拟器；2.在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；3.改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响；4.改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；5.改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；6.分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。分析不同的替换算法对Cache性能的影响。四、实验步骤1、关于simplescalar的简要说明SimpleScalar包括多个仿真器：sim-fast,sim－safe,sim-cache,sim-cheetah,sim-pro和sim-outorder。本次实验使用的是sim-cache，下面说明一下sim-cache。sim-cache:在这个仿真中加入了cache，用户可以对cache及TLB进行设置，支持两级的cache和一级的TLB，第一级cache和TLB均分为数据和指令两部分。（摘自百度百科）下面简要说明一下有关cache的信息：一般来说，Cache的结构参数主要包括以下几个方面：容量、块大小、相联度、替换算法等。在SimpleScalar模拟器中，采用了两级Cache结构，同时数据和指令Cache分开。SimpleScalar的Cache参数配置命令为：
::::：Cache的名称，其中:dl1：一级数据Cache；dl2：二级数据Cache；il1：一级指令Cache；il2：二级指令Cache；dtlb：数据TLB；itlb：指令TLB；：组的数目；：块大小；：相联度；：替换策略。此时，Cache容量为：**。替换策略主要有以下几种：l：LRU，最近最少使用；f：FIFO，先进先出；r：RANDOM，随机策略。例如：-cache:dl1dl1:2048:64:4:r，表示对一级数据cache进行配置，2048表示有2048组，64表示cache块大小为64byte，4表示相联度为4，r表示替换策略为RANDOM。在此配置下，一级数据cache的容量为2048*64*4=512KB。由于SimplescalarSpec2000测试程序在其官方网站不能下载，故使用simplescalar模拟器自带的测试程序以及自己设计的一个程序进行测试。我们所有的实验内容都是对一级数据cache来进行分析的。在simplescalar中，我们使用的模拟器是sim-cache。2、simplescalar模拟器基本配置情况下的运行模拟1.用安装好的simplescalar中的编译器对test.c进行编译，编译后生成了能够在模拟器中可以运行的可执行文件。命令行运行界面如下图所示：2.我们使用simplescalar中的模拟器sim-cache对a.out模拟执行，执行后的界面如下图所示：3.对运行结果进行分析从上面的运行结果中我们提取出一级数据cache（dl1）的信息进行分析：dl1.accesses4420#totalnumberofaccesses一级数据cache上的总访问次数dl1.hits3963#totalnumberofhits一级数据cache上的命中次数dl1.misses457#totalnumberofmisses一级数据cache上的失效次数dl1.replacements201#totalnumberofreplacements一级数据cache上发生替换的次数dl1.writebacks190#totalnumberofwritebacks一级数据cache上发生写回的次数dl1.invalidations0#totalnumberofinvalidations一级数据cache上无效访问的次数dl1.miss_rate0.1034#missrate(i.e.,misses/ref)一级数据cache上的失效率dl1.repl_rate0.0455#replacementrate(i.e.,repls/ref)一级数据cache上发生替换的概率dl1.wb_rate0.0430#writebackrate(...
